結構膠增強磚石砌體的抗剪性能試驗研究與分析

孫雋驍,段緒勝,王少杰

山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271018

結構膠增強磚石砌體的抗剪性能試驗研究與分析

孫雋驍,段緒勝*,王少杰

山東農業大學水利土木工程學院,山東泰安271018

磚石砌體是由磚石塊材和砂漿砌筑而成的，由于灰縫砂漿的抗剪強度低，嚴重影響了磚石砌體的抗剪性能。本文提出對灰縫鉆孔灌注建筑結構膠，提高灰縫砂漿抗剪強度的新方法。經試驗和分析，硅酮結構膠可以提高塊間粘連度，環氧結構膠可以提高灰縫的抗剪強度。

磚石砌體;結構膠;抗剪強度

磚石建筑是中國古代建筑的重要組成部分，其歷史與中國古建筑的歷史興衰密切相關。磚石建筑是指利用磚石塊材、以一定結構形式砌筑的建筑物或構筑物[1]。在我國一些古村落里，磚石更是傳統民居的重要建筑材料。近年來，我國地震頻發，因此對磚石類傳統民居、文化遺跡的加固及修繕技術研究尤為必要。

為了增強砌體結構的抗剪性能，蘭州理工大學土木工程學院宋彧教授提出了采用斜拉筋加固墻體的措施[2]，新疆大學建筑工程學院提出了以鋼絲網水泥砂漿加固墻體的方法[3]，以上加固方法均為對墻體進行整體加固。但是，在加固傳統石砌房屋的同時應保證其原本建筑的形式和風格[4]。Paulo B. Lourenco[5]等通過試驗研究發現，灰縫砂漿是影響砌體抗剪強度的重要因素。本文采用對灰縫砂漿置換補強的方法，使用建筑結構膠對石砌體灰縫鉆孔注膠。此加固方法具有工藝簡單、施工方便、工期短、造價低等特點。試驗結果研究，磚石砌體的抗剪性能有很大提高，并且不破壞石砌墻體的原本建筑形式和整體風格。

1 試驗概況

1.1 試件制作與設計

磚石建筑中使用的塊材事先需要經過加工、打磨，使其形狀比較規則、美觀。本試驗采用混凝土砌塊和石塊。本試驗采用的混凝土實心砌塊在形狀、質量、強度（強度等級C40）及表面粗糙度（事先經過了鑿毛）都接近磚石建筑中使用的塊材，而且混凝土實心砌塊本身也是一種比較堅硬的磚石塊材。對于一些現役的磚石建筑，砌筑時間比較久遠，在當時砌筑使用的砂漿強度都比較低，有些古老的磚石建筑更是使用灰漿進行砌筑。所以，本試驗使用強度等級M 2.5以下的砌筑砂漿（抗壓強度為0.14 MPa）。

結構膠增強磚石砌體的抗剪性能試驗共設計4組試件，其編號為SQ、PQ、GQ、HQ。其中，SQ試件是由石塊和砂漿組成；PQ試件是由混凝土砌塊和砂漿組成；GQ試件是由混凝土砌塊、硅酮結構膠和砂漿組成；HQ試件是由混凝土砌塊、環氧結構膠和砂漿組成。采用的石塊尺寸為b×t×h=240mm×180 mm×200 mm，混凝土砌塊尺寸為b×t×h=300 mm×200 mm×200 mm。試件主要參數見表1。

表1 受剪試件主要參數Table 1 Main parameters of the sheared specimens

對砌筑完成的試件，依據《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T 50129—2011）[6]的規定，對試件進行養護。試件養護完成后，對灰縫進行鉆孔注膠，如圖1所示。試驗使用了兩種建筑結構膠，分別是硅酮結構膠（密封膠）、環氧結構膠（植筋膠）。硅酮結構膠常用于玻璃幕墻的密封[7]，抗撕裂性能良好；環氧結構膠主要成分是環氧樹脂，在結構加固中應用廣泛[8]。

圖1 注膠后的試件示意圖Fig.1 The schematic specimen after drilling structure adhesive

1.2 加載裝置和測量方案

本實驗在山東農業大學結構實驗大廳完成。加載裝置示意圖，如圖2所示。

圖2 加載裝置示意圖Fig.2 The schematic of loading device

試件安裝就位后，首先對試件施加0.1 kN的水平荷載，用以檢查試驗儀器的靈敏度及安裝牢固性。采用勻速連續加載對受剪試件施加荷載，保證試件在2～3 min內破壞，加載過程中保持加載速率不變。當受剪面被剪壞即認為試件破壞，記錄試件的破壞荷載，觀察試件破壞特征。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

PQ系列試件和SQ系列試件加載初期，試件表面及灰縫處無明顯破損，直到加載力達到破壞荷載時，試件突然沿灰縫斷裂。PQ系列試件和SQ系列試件破壞形態一樣，如圖3、4所示，表現為明顯的脆性破壞，在試件加載過程中從灰縫的開裂至完全分離，整個過程時間較短。而且，兩組試件的破壞受剪面，均發生在砂漿層的受剪面。

圖3 PQ系列試件破壞形態圖Fig.3 The modes failed by PQ masonries

圖4 SQ系列試件破壞形態圖Fig.4 The modes failed by SQ masonries

對于GQ系列試件，加載力達到破壞荷載時，灰縫砂漿出現通縫破壞，此時砂漿退出工作。根據GQ系列試件的破壞形態圖，如圖5所示，與PQ系列試件對比，GQ系列試件從砂漿開裂到完全裂開的過程時間也比較短。但是，與PQ試件不同的是，GQ試件的砂漿雖然裂開，硅酮結構膠扔然對上下砌塊起著拉結作用。

圖5 GQ系列試件破壞形態圖Fig.5 The modes failed by GQ masonries

對于HQ系列試件的加載破壞過程可以分為兩個階段，初始加載階段，砂漿開裂環氧結構并未開裂，隨著加載力繼續增大進入第二階段，環氧結構膠開始開裂，最后形成通縫。在整個加載過程中磚石砌塊并沒有破壞，而是磚石砌塊間的灰縫砂漿出現裂縫。根據HQ系列試件的破壞形態圖可知，與PQ試件對比，其受剪面是由砂漿受剪面和環氧結構膠受剪面共同組成，如圖6所示。

圖6 HQ系列試件破壞形態圖Fig.6 The modes failed by HQ masonries

2.2 砌體抗剪強度

根據《砌體結構設計規范》（GB 50003—2011）[9]的規定，砌塊砌體抗剪強度平均值采用式（1）進行計算

fv,m—試件的抗剪強度平均值（N/mm2）；

k—與砌體種類有關的參數，對于混凝土砌塊取0.069，毛料石取0.188；

f1—砂漿抗壓強度平均值（N/mm2）。

SQ系列試件和PQ系列試件的抗剪強度，根據《砌體基本力學性能試驗方法標準》（GB/T 50003—2011）[6]中規定，采用式（2）進行計算：

fv,i—試件的抗剪強度（N/mm2）；

V—試件的破壞荷載值（kN）；

A—試件的受剪面積（mm2）。

SQ系列試件和PQ系列試件的抗剪強度規范算值與實際測試值對比分析見表2。

表2 SQ系列試件、PQ系列試件的抗剪強度試驗結果Table 2 The results from SQ and PQ specimens in the shearing resistance test

從表2中可以看到SQ試件和PQ試件的試驗值與規范值擬合較好。

GQ系列試件的抗剪強度試驗結果見表3。

表3 GQ系列試件的抗剪強度試驗結果Table 3 The results from GQ specimen in the shearing resistance test

通過對表2和表3的分析，硅酮結構膠對砌塊的抗剪承載能力提高很小，但是增強了塊間粘連度（破壞位移）。20 mm鉆孔深度時塊間粘連度增加了20 mm，40 mm鉆孔深度時塊間粘連度增加了30 mm。

為了求出加入環氧結構膠的砌塊的抗剪強度，這里引入置換率、復合強度兩個變量。置換率指結構膠有效受剪面積占總受剪截面面積的百分比。復合強度指對注入結構膠的砌體，結構膠與砂漿共同工作時，提供的抗壓強度。

對加入結構膠的砌體的抗剪強度采用式（3）進行計算：

fv—試件的抗剪強度（N/mm2）；

V—試件的破壞荷載值（kN）；

A—試件的受剪面積。

對加入結構膠的砌體的置換率采用式（4）進行計算，復合強度采用式（5）進行計算：

f—試件的復合強度（N/mm2）；

f1—試件的砂漿抗壓強度（N/mm2）；

f2—試件的結構膠抗壓強度（N/mm2）；

β—試件的置換率（%）；

A1—結構膠的受剪面積（mm2）；

A—試件的受剪面積（mm2）。

其中，砂漿的抗壓強度為0.14 MPa，環氧結構膠的抗壓強度為8.0 MPa。HQ系列試件的復合強度見表4。

表4 HQ系列試件的復合強度Table 4 The combined strength of HQ specimens

表4中，結構膠的受剪面積是HQ試件破壞后，用網格尺對結構膠受剪面進行量取的有效面積。

HQ系列試件的抗剪強度試驗結果見表5。

表5 HQ系列試件的抗剪強度試驗結果Table 5 The results from HQ specimens in the shearing resistance test

根據表3、表4中的數據，確定加入環氧結構膠砌體的抗剪強度值平均值fvm，采用式（6）進行計算

fvm—試件的抗剪強度平均值（N/mm2）；

a—待定系數；

f—砂漿抗壓強度平均值（N/mm2）。

經過對試驗值的回歸分析，得出加入環氧結構膠砌體的抗剪強度平均值為

標準差s=0.0027，變異系數Cv=0.014。

根據式（1）中的參數k，混凝土砌塊為0.069，毛料石為0.188，加入環氧結構膠的砌體為0.194。環氧結構膠可以提高磚石砌體的灰縫抗剪強度。

3 結論

（1）提出了該種注膠加固磚石砌體的新方法。

（2）揭示了兩種不同膠在加固中的破壞模式，即硅酮結構膠是大變形破壞、環氧結構膠是強度破壞。

（3）提出了環氧結構膠與砂漿共同工作的抗剪極限強度計算方法。

[1]侯衛東.中國古代磚石建筑及其保護修復概述[J].中國文物科學研究,2012(2):50-53

[2]宋彧,原國華,周樂偉.斜拉筋加固砌體結構抗震性能試驗研究[J].建筑科技,2009,40(1):42-44

[3]胡荻,阿肯江·托呼提,黃斌.鋼絲網水泥砂漿加固土坯砌體抗震性能研究[J].工程抗震與加固改造,2014,36(6):108-115

[4]楊新.中國古建筑維修保護價值觀[J].中國文物科學研究,2014(2):21-25

[5]Lourenco PB,Ramos LF.Characterization of cyclic behavior of dry masonry joints[J].Journal of Structural Engineering, 2004(4):779-786

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 50129-2011砌體基本力學性能試驗方法標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2011

[7]司林剛.高強度硅酮結構膠在抗爆玻璃幕墻中的應用[J].中國建筑防水,2015(17):22-26

[8]洪林,王天禎.環氧樹脂應用領域市場分析[J].熱固性樹脂,2011,26(3):54-58

[9]中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 50003—2011砌體結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2011

Experimental Research and Analysis of the Shear Behavior of Masonry Strengthened by StructureAdhesive

SUN Jun-xiao,DUAN Xu-sheng*,WANG Shao-jie
College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China

Stone masonry is made of stone and mortar.The shear behavior is seriously affected by weak shear strength of mortar joint.The mortar joint is drilled and implanted structure to improve the shear strength of mortar joint.After tests and study,the silicone structure adhesive improved the tenacity of mortar joint,the epoxy structure adhesive improved the shear strength of mortar joint.

Stone masonry;structure adhesive;shear strength

TU501

:A

:1000-2324(2017)01-0079-05

2016-10-14

:2016-11-03

孫雋驍(1988-),男,研究生,主要從事結構鑒定與加固.E-mail:shunxiao@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:HuangSheng@qq.com